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SGS宿斌:锂离子电池系统安全分析及国际标准概述

作者:优德88手机中文版新闻中心 来源:优德88手机中文版 发布时间:2021-06-02 浏览:
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优德88手机中文版讯:5月24-26日,由中国化学与物理电源行业协会主办,200余家机构共同支持的第十一届中国国际储能大会在杭州洲际酒店召开。本次大会主题是“坚守储能安全底线,推动产业创新发展”。

在5月25日上午的“储能安全与标准检测认证”专场,SGS通标标准技术服务有限公司高级技术经理宿斌分享了主题报告《锂离子电池系统安全分析及国际标准概述》。经演讲人本人授权同意,小编整理了演讲速记,并将速记内容分享如下:

宿斌:各位同仁,各位领导,大家上午好!

我是来自SGS通标标准技术服务有限公司的高级技术经理宿斌,我今天跟大家一块分享的演讲题目是《锂离子电池系统安全分析及国际标准概述》,近期社会上比较关注一些储能系统的事故问题,我以前也是做储能系统研发的,所以跟大家一块分享一些储能系统的事故分析。

我的演讲题目分为四个部分:一,锂离子电池系统的安全问题;二,锂离子电池系统安全风险原因分析;三,锂离子电池系统相关国际标准概述;四,关于SGS。

储能系统在日常生活当中随处可见,应用已经非常广泛,在电力系统的发,输,变,配,用户侧都有储能系统的相关应用。大批量,大规模的应用也造成了全世界范围内引发的储能系统事故,我在这边做了一个储能电站在全球的起火和爆炸的不完全事故统计。我们在这个图上面可以看到在韩国2017年到2020年已经相继发生了29起严重的储能系统事故,在中国不完全统计发生了4起,在山西,江苏,北京等地。在英国利物浦风电场2020年9月份发生1起,美国2012年到2019年相继发生3起,日本同时也有。这么多的储能电站的事故也给我们提了一个警示,我们的储能系统在蓬勃发展的同时,对我们系统的安全性的要求也是越来越高了。

下面通过三个事故来分析一下储能系统发生事故的原因。第一个是韩国4月6日储能电站发生严重的起火爆炸事故。储能电站安装在韩国忠清南道,光伏装机总规模3.4MW,配的储能系统是10MWh。当时这个火灾事故烧了7个PACK,140个电池,造成经济损失达到人民币258万。当时的事故调查说是储能单元内部发生,有可能是单体电芯的内短路造成热失控,引起级联反应。韩国29起储能电站的事故总结了两点原因:一是大多数的事故发生在充电中或者说充电完成之后。充电中和充电完成之后的电芯电压是非常高的,能量也是非常高的,活性也很大。这种时候,我们的储能系统的并联有可能造成系统内并联簇的环流,并联簇的环流就可能对其中某些簇的单体电芯造成过充的影响。单体电芯一直处在过充状态,它有可能产生锂枝晶,发生一些内短路,造成热失控的现象。第二个,储能电站设计的时候,消防系统一般都是用七氟丙烷,而七氟丙烷是用来隔绝空气,阻止它发生热失控,发生燃烧,但是七氟丙烷不能够对热失控单体电芯或者系统进行降温。一旦消防员或者现场人员进行灭火救灾的时候,很有可能打开储能集装箱系统,里面会有一些可燃气体突然间有空气涌入的话,它会在一个密闭环境里发生爆炸风险。


北京416事件,大家已经非常清楚了,其中中国电科院给了一份报告,说出了八个诱因,这八个诱因已经分析得非常全面和到位。诱因一是储能电池安全质量,就是单体电芯。虽然我们选用了同一批次的,也是在筛选的时候选的是比较优越的一致性很好的电芯,但是我们也不排除其中有某些单体电芯内部有杂质或者生产过程中造成小问题,我们筛选过程中没有发现,但是在实际长期运行的时候会发生细微的变化,时间越来越长,过充对造成热失控的危险性越来越大;诱因二是储能系统的电气拓扑,我们在系统并网的时候,也就是ACDC转换的时候,储能系统里面的一次保护,二次保护,我们有时候会因为成本的原因或者是现场安装的原因进行缩减,造成安全隐患;诱因三是电池管理系统(BMS),有些事故发生的时候BMS并没有报警,这也警示了整个系统的安全性,我们的软件控制和警示部分也需要加强;诱因四是现场电缆和线束现场布局,也有可能在错综复杂交错的电缆之间,如果发生了过充的事故,有可能会引起一些闪弧的现象,会波及到其他的电池储能系统;诱因五是电站防火设计,整个储能电站会有很多集装箱的排布,集装箱与集装箱之间或者是整个储能系统的设计中间有没有防火的设计,比如说需要增加防火墙;诱因六是电站配套的监控预警灭火系统及消防用水,这个事故发生的时候,消防员在一侧灭火的同时,有可能消防用水会流到另外一侧,有可能引起另外一侧电站的短路;诱因七是气象环境,有时候储能环境应用环境是在风沙比较大的地方,比如说高原地区,如果有一些沙尘暴或者有一些风沙,对我们的通风系统进行堵塞,有可能会对整个储能系统的散热进行影响。另外是绝缘也会有影响,整个储能系统长期运行在高温环境下,比如说它的散热通风都被堵掉,它在高温环境下运行,对整个系统单体电芯是一个不良的运行环境;诱因八是现场人员的操作和管理制度,这也是我们在建储能电站时候一定要非常注意的一点,要有经验的人员,有严格的管理规章制度去严格执行。

第三个事故是美国麦肯锡分析了APS储能电站发生的事故,当时的事故报告做了几点分析和总结。因为这个事故发生的时候也是有消防员在现场灭火时发生了严重的事故。整个储能系统的通风设计是有一些缺陷,因为电池储能系统在里面的单体电芯发生热失控的时候,整个集装箱是密闭的,它里面析出的可燃气体在集装箱内不能及时有效进行通风排出,在去灭火的同时打开门,发生了空气涌入,在密闭环境发生爆炸的现象。它就提出了几点建议:建议更新现有的标准和法规,中国一直在加大力度更新我们的标准,作为以后储能电站设计和运营的依据;它也是建议我们在设计储能系统的时候要注意通风灭火和冷却系统的热分析,热处理。我发现整个储能系统在实际运行过程当中,储能系统上层的PACK和最底下PACK的温差是比较大的,我们的BMS设计的温差报警保护区间在实际运行当中有可能会调大温差报警保护,因为热量是往上走的,上层PACK的温度一直在高温环境下运行,下层PACK的温度比上层运行环境温度低一些,造成整体系统一致性运行时间差别越来越大,可能会造成整个系统的安全隐患;最后它提到了开展教育和培训,制定应急响应政策。整个储能系统运营,因为它是一个能量密集型的聚集体,所以这也是属于比较危险的运行,所以我们的专业运行维护人员也需要有一个专业的培训。

储能系统的安全问题。其中最关键的就是锂离子电池部分,锂电池在整个储能系统的成本也是占据到60%-70%。在一个密闭的空间里面集聚大量的锂电池是非常危险的。其中的一个单体发生了热失控,很有可能级联到其他的单体电芯甚至到其他的PACK和其他的簇。除了单体电芯之外,储能系统里面还有很多的电气设备,这些电气设备有一些绝缘或者高电压,大电流的涌入,也会对这些保护设备造成冲击。其中的一些设备和线缆发生了一些老化,也有可能造成系统内单体电芯或者是PACK的短路。

通常情况下,锂电池在发生热失控的时候会析出大量的氢气,一氧化碳,二氧化碳,甲烷,苯,甲苯等有机体,这些都属于可燃气体。我们在做9540A评估的时候,发现锂离子单体或者是PACK析出的气体里面,氢气和一氧化碳占的成分是比较大的,也有可能析出氯化氢,氟化氢等有毒气体。假如说在集装箱内发生热失控,它析出大量的氢气和一氧化碳,有可能会造成整个事故的蔓延。

在标准里面对热失控也有清晰的定义,像国标36276,IEC62619,UL1973,UL9540A都定义了单体电芯热失控的定义,我们国标36276同时也定义了模组的级联热失控的定义。这是热失控的整个过程,就是单体电芯从开始加热到它析气,一直到爆炸燃烧,最后燃烧结束,一共有五个阶段,不再赘述。风险原因分析:1.电池系统的缺陷。单体电芯在选的时候,一致性没有选好,另外一个就是我们系统内的保护逻辑没有设计得非常完善;2.应对绝缘检测的保护系统不够,有可能在整个系统里面会发生与外部绝缘失控,产生闪弧,造成短路;3.储能电站建设完以后需要管理和维护;4.BMS,EMS之间的协调管控以及预警失效等问题也需要我们注意。

储能系统的安全设计涉及到很多部分,像电化学安全,就是单体电芯;也涉及到机械结构安全,像盐雾,挤压碰撞;弱电安全是采样电压,SOC估算,BMS预警;高压安全涉及到绝缘,连接器,过流过压;热安全就是我们的热处理,就是我们的集装箱整个运行的环境,一定不要在高温环境下运行,它产生的热量一定要由我们的热处理系统把热量带走;使用安全,像热失控的预警,热扩散的预警,在我们的储能系统里面也要加强设计。

这部分是相对于我们的国际标准的概述。在北美地区延用的是UL9540的要求,其中它对单体电芯,PACK和簇的要求是UL1973和UL9540A,我们签的LOGO是下方的SGS,C是加拿大,US是美国。这边要注意是如果我们要加C的话,其中我们设计的零部件也是要符合加拿大的标准。在欧洲那边,我们并网的时候要用到各个国家的标准要求,德国有VDE2510,我们的电池需要测IEC62619和IEC63056储能系统。在澳洲可以用ICE的标准,也可以用UL1973的标准。日本是JIS8715-2,韩国是KC62619,跟IEC62619标准相同。在系统的标准里面,我们除了这些标准测试以外还要注意,假如说我们用塑料,它有阻燃等级和IP等级的要求。关于电气间隙和爬电距离,也是要参考UL60950和UL840,其中一些线束和端子也是需要符合一些标准要求,包括右边的功能安全部分,尤其我们在做LEC62619和北美UL1973的同时,也要评估IEC60730和UL60730或者是IEC/UL61508部分的功能安全评估。

关于UL9540A,它是在NFPA855储能系统安装标准里面会提到。假如说我们的储能系统有一些安装距离和安装容量的要求,比如说整体系统大于600千瓦时或者单簇大于50千瓦时,或者簇与簇之间的安装距离小于0.934米,都是需要提供UL9540A的评估,我们现在也给各大厂家做了UL9540A的评估报告。

这部分,我就不再赘述了,大家可以拍一下,这是出口北美或者出口欧洲,或者出口日本,澳洲需要做的一系列的认证。左边是我们发出的证书样本,现在我们SGS针对UL9540A也是做了很多的厂家。

介绍一下SGS。SGS是国际公认的NO.1的检测认证机构,全球有9万4千名员工,有2万6千个分支机构和实验室。我们在上海和深圳都投有电池检测实验室,也是获得了CNAS和美国A2LA的资质认可,也获得IECEE  CBTL的认可,我们对欧洲,北美,日本和韩国包括全球各个国家的出口认证都有相应的解决方案。

我们涉及的产品包括18650消费类单体电芯,一些大的储能或者是动力电池,以及轻量级的,譬如说平衡车,摇摆车,电动自行车,电动摩托车以及大的储能系统的电池和动力电池,包括无人机,割草机或者AGV无人车电池出口认证,我们都能提供全球的认证解决方案。

这是我们给大家发的证书的LOGO,下面是CB,中间是NA(北美地区的),然后日本的PSE,美国的CTIA,然后德国的GS和我们的安全生产SGS的认证。由于时间关系,我的演讲就到此结束,如果大家有什么问题我们可以会后继续交流,谢谢大家!

关键字:锂离子电池 系统安全

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